JPH09501878A - ベクトル制御ａｃドライブを備えた成形機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サーボ機構駆動システムにおけるベクトル制御されるＡＣ誘導電動機（１０３、１２４、１４８、１５６）を用いる射出成形機。ベクトル制御された電動機が、優れた性能能力を持つコスト的に有効な高電力駆動システムを提供する。更に、各電動機の動力セクション（１９４、１９５、１９８、２００）へ信号を送るコントローラＣＰＵ（１９０）に対するマルチプレクサ（１９２）を含むことにより、制御部が複数の電動機を動作させるように構成される時、システム効率が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】 ベクトル制御ＡＣドライブを備えた成形機 発明の分野 本発明は、射出成形機のための電動機駆動部に関し、特に射出成形機のための サーボ機構駆動システムにおけるベクトル制御ＡＣ誘導電動機の使用に関する。 関連技術の記述 射出成形機は、それらの主要な動力源として流体圧作動システムを使用するよ うに伝統的に設計されてきた。流体圧作動装置は、多年にわたって満足できるも のであることを証明してきた。これら装置は、比較的安価であり、射出成形機の 要件に見合う動力および速度の応答特性を持ち、堅牢でありかつ信頼し得る。 しかし、流体圧作動システムは、幾つかの本質的な短所を有する。流体圧作動 油は、産業環境における塵埃および汚染を蒙り、濾過および保守を必要とする。 更に、油漏れの可能性があって、これがそれら装置を「クリーン・ルーム（ｃｌ ｅａｎ ｒｏｏｍ）」製造環境に対して不適なものにする。流体圧駆動部は、制 限された位置決め精度および繰返し性を持ち、流体圧作動油の温度変化が性能に おける更なる変動を導くことになる。最後に、流体圧駆動部はエネルギ効率が低 く、従って、作動油から熱を除去して一定の油温度を維持するために熱交換器お よび冷却器を必要とする。 電動機サーボ機構駆動部は、流体圧作動機器に代わる物を提供し、４０年以上 にわたって利用可能であった。往時のシステムは、電機子の回りに巻付けられ整 流子で終わる多数のコイルを持つ周知のブラシ・タイプのＤＣ電動機を用いてい た。電機子は、電機子における巻き数に対応する多数の永久磁石またはコイル磁 石を持つ固定子により包囲されている。電動機が回転すると、炭素ブラシが電機 子コイルを電源に逐次接続する。コイルに流れる連続的な電流が磁界を生成し、 これが固定子の磁界と作用して電機子にトルクを生じ、これにより電機子の回転 運動と電機子コイルの励起／整流とを継続する。 ブラシ・タイプＤＣ電動機の最も望ましい特性は、幾つかの本質的な電動機特 性の結果であるその制御の簡単さである。第一に、印加された電機子電圧に対し て、速度とトルクの最大限度が確立され、所与の動作条件に対して、速度および トルクが逆の関係を生じる、即ち、電動機負荷が増加するに伴い、速度は低減す ることになる。第二に、トルクは、電機子電流とのその直線的関係の故に容易に 制御される。最後に最大トルクに対しては、電機子電流により生じる磁界は、固 定子磁界の電極と空間矩象関係（ｉｎ ｓｐａｃｅ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）に なければならない。電機子の整流子構造は、各電機子コイルを正しい電機子位置 で自動的に切換えて最適な空間矩象関係を維持する。簡単であることと所要の性 能特性にも拘わらず、ブラシ・タイプＤＣ電動機を用いるサーボ機構駆動部は、 ブラシの火花発生、ブラシの摩耗、ブラシの保守、および低速時のトルクのリッ プルという短所を有する。更に、電機子に電流を通す巻線を持つことが電機子の 慣性を増すばかりでなく、固定子および電動機の筺体から空隙により隔てられる 電機子から熱を放散することが難しい。 最近２０年にわたって、更に新規なサーボモータ設計が、厄介なブラシを用い る必要のないＤＣ電動機の逆線形の速度とトルクの特性を近似化することに成功 した。これらの新規な設計は、幾つかの異なる電動機技術を示すものであるが、 これらはしばしば総合的にブラシレス・モータと呼ばれている。これらの設計は ブラシ・タイプのＤＣ電動機性能をほぼ反映するので、時に広範囲にわたり総合 的にブラシレスＤＣ電動機とも呼ばれる。しかし、より厳密にみれば、ブラシレ ス・サーボモータ技術は、更に正確にはＡＣ誘導電動機、ＡＣ同期電動機、およ びブラシレスＤＣ電動機に分けられる。これらの電動機はそれぞれ、独自の物理 的構造、独自の制御理論、および独自の動作特性を有する。 高性能のサーボ機構駆動部におけるＡＣ誘導電動機の使用は、最も新しい展開 である。この電動機は、固定子に１つの短絡回路かご型回転子と３相巻線を用い る。サーボ機構駆動部におけるこのような電動機の変更可能な速度制御は非常に 複雑でやや高価につくが、ベクトル（磁界に即した）制御により更に実用的にな りつつあり、以降において非常に詳細に論述する。 ブラシレス・サーボモータの別のカテゴリは、ＡＣ同期サーボモータである。 この内外が逆になった３相電動機の設計は、希土類磁性体を用いて磁束密度を最 大化しかつ重量を最小化する永久磁石回転子によって生成される磁界を有する。 従って、回転子の慣性が低減され、これが電動機の動的応答を最適化する。固定 子は、その３相の各々に複数の組、一般に回転子の磁石数に等しい４組、６組ま たは８組の巻線を有する。３相固定子巻線における電流が組合って、回転子磁石 の磁界と相互に作用してトルクを生じる結果的な磁界ベクトルを生じる。磁界ベ クトルの大きさおよび回転子の磁気モーメントに関するその角度が、トルクの大 きさと向きを決定する。 固定子巻線の形状および永久磁石回転子の磁束密度は、回転子が一定速度で回 転される時、図１ａに示される如き正弦波形の起電力（ＥＭＦ）１１が巻線に誘 起される如きものである。誘導ＥＭＦの振幅と周波数とは速度に比例する。図１ ａに示されるように固定子巻線が等しい振幅と周波数であるが１２０°だけ位相 がずれた３相正弦波形電流１５を供されるならば、結果として回転磁界が固定子 の磁極に生じることになる。この磁界の強さは、固定子巻線における電流の大き さに比例する。 所与の電流における最大トルクと略々直線的なトルク−電流を得るために、各 固定子電流の位相角と回転子磁石により生じる磁気ベクトルの角度との関係は一 定に保持されねばならない。従って、固定子巻線に加えられる正弦波形電流の位 相関係は、制御されて各誘導ＥＭＦと同期位相に維持されねばならない。 上記の機能を達成するためには、電動機動作に関して情報を得るようにフィー ドバック・ループが電動機と電動機制御部との間で閉じられる。第一に、軸の回 転方向を決定するためにフィードバック信号が要求される。第二に、電流信号の 振幅および位相が適正に制御されるように回転子軸の瞬間的な絶対位置を規定す るフィードバック信号が要求される。最後に、速度制御のため必要な電動機速度 を測定するため、フィードバック信号が要求される。大半のＡＣ同期サーボモー タにおいて、高解像度の絶対パルス・エンコーダ、または典型的に１回転当たり ２０００〜４０００パルスの範囲内にある増分解像度を持つレゾルバから全ての ３つのフィードバック信号が得られる。以下において更に詳細に述べるように、 ＡＣサーボモータは、固定子電流を調整して各位相に対する正弦電流波をディジ タル的に生じるための非常に複雑な制御部を必要とする。 最近数年間にわたって、ＡＣ同期サーボモータを用いる幾つかの射出成形機が 紹介された。これらのシステムは、高性能のサーボ機構駆動部として設計され、 また工作機械、産業ロボットその他の用途における動力システムとして好評を得 た。優れたサーボ性能を獲得するためには、ＡＣ同期電動機の設計は、電動機の 応答時間および位置決め解像度および精度を最大化するように進化した。例えば 、電動機の回転子において重量および慣性を減じるため新種の磁性材料が用いら れる。更に、電動機の構造は比較的複雑化し、電動機制御部はより高い位置決め 解像度および精度を達成するのに必要な複雑な計算を行うように開発された。最 終的な結果は、高性能は得られるがより高いコストで更に複雑な制御部が要求さ れることである。更には、高いサーボ性能のため要求されるＡＣ同期電動機のよ り小さなコンパクト設計は、制限されたパワー出力を持つ電動機をもたらす結果 となった。その結果、より大きいパワーが要求される用途では、複数の電動機が １つの動力系統に組込まれねばならない。 最終的なブラシレス・サーボモータ形式は、ブラシレスＤＣ電動機である。こ の電動機においては、固定子は、永久磁石回転子における磁石数に等しい３相の 各々における巻線数からなっている。回転子に取付けられた磁石は、用途に応じ て他の材料からも作ることができるが、典型的には一般のセラミック磁石である 。固定子巻線の形状および回転子における永久磁石の形状は、回転子が一定速度 で回転される時、図１ｂに示される如き台形のＥＭＦ波形が固定子巻線に誘起さ れるように、回転子における磁束密度の分散を生じる。各位相における台形ＥＭ Ｆの累積効果は、固定子における誘導電流に対して略々平坦な波形を生じること である。図１ｂに示される如き矩形状電流ブロック信号１９が固定子波形に印加 される時、一定のトルクが生成される。図１ａに示される如きＡＣサーボモータ における１８０°にわたる正弦波形電流の連続的な印加とは対照的に、１２０° の期間中電流ブロックが断続的に印加されることに注意すべきである。１つの巻 線から別の巻線へのこのような不連続電流の整流は、ブラシレスＤＣ電動機にお ける歯車状特性の主な原因である。 ＥＭＦの振幅は速度に比例し、従って、速度は固定子巻線に加えられる信号の 電圧振幅を制御することによって制御される。固定子における電流ブロックの振 幅は、生成されるトルクに正比例し、このトルクを制御する。均一なトルクの生 成のためには、回転子の位置の如何に拘わらず、電流の整流が予め定めた回転子 角度で生じなければならない。これらの角度は、通常は、固定子に取付けられる ３つのホール効果センサによって検出され、電動機の固定子電流の切換えを制御 するため電動機制御部に対してフィードバック情報を提供する。更に、回転子の 速度信号を生じるために安価な低解像度のタコメータを用いることもできる。 整流ロジックにより、ブラシレスＤＣ電動機の電流−トルク特性および電圧− 速度特性は、ブラシ・タイプのＤＣ電動機のそれに実質的に類似するようになる 。その結果、ブラシレスＤＣ電動機に対する調整回路は非常に簡単になり、この 回路はブラシ・タイプＤＣ電動機駆動部の制御特性をエミュレートするように構 成することができる。 ブラシレスＤＣ電動機は、１つの電動機巻線から別の巻線への不連続な電流ブ ロックの整流の結果生じるトルクの脈動（ｐｕｌｓａｔｉｏｎｓ）即ちリップル により生成される電動機コギング（ｍｏｔｏｒ ｃｏｇｇｉｎｇ）の本質的な短 所を有する。電動機コギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）は、比較的低い速度でより顕著 になり完成された部品の特性におけるばらつきを生じ得る電動機の動作中のトル クの脈動即ちサージによって明示される。更に、ブラシレス電動機（ＤＣおよび ＡＣ）は時に、これらが回転しないが依然としてトルクを保持する時にハンチン グ即ち振動を生じることになる。この振動は、主として典型的な電動機制御部に おいて用いられる増分的な速度フィードバックにより生じ、機械の構成要素にお ける疲労を生じる結果となる。 電動機のコギングを最小化するために、サーボモータ速度ループを用いて、圧 力またはプロセスまたは機械の作用力を表わす変数を制御することが示唆された 。例えば、射出電動機のコギングは、押出し成形スクリューと融解材料間の圧力 の周期的に類似する変動を生じる。圧力設定点付近のこれらの圧力変動は、圧力 が増加する時に変動指令信号が減少し、またその反対となるように速度指令信号 を逆に修正するために用いられる。その結果、プロセス変数およびセンサ精度に おける変動に応じて有効度が変化することを伴って更に複雑な制御となる。 ブラシレスＤＣ電動機は、典型的に、速度が主要な制御パラメータでありトル クが比較的一定であるか非常に予測可能である汎用動力システムに対して用いら れてきた。このような用途は、電動機のコギングが問題とならず高い位置決め精 度が要求されないコンベア、エレベータ、巻上げ機などを含み、従って、より高 い位置決め精度とよい早いサーボ応答を要求する機械に対してブラシレスＤＣ電 動機が典型的に考慮されることがなかった。電動機のコギングとサーボ性能が問 題である機械を設計する一般的なコンセンサスは、ブラシレスＤＣ電動機技術を 適切なものではないとして無視して、一般に受入れ得るＡＣサーボモータを選択 することであった。射出成形機におけるブラシレスＤＣ電動機の使用は容易であ るのに、ブラシレスＤＣ電動機の不整とゼロの速度変動の問題が制御部の複雑性 およびシステムのコストを増大させている。位置決め精度もまた主要な考慮であ り、水準技術の流体圧作動機械に等しいかあるいはこれより優れていなければな らない。 最後に、ＡＣおよびＤＣの両方の永久磁石サーボモータにおいて、トルクを制 御する能力は、固定子の磁束と、固定子の磁束と回転子の磁束間の角度の制御能 力に限定される。また、永久磁石回転子構造がある制御上の制限を課すことを知 ることも重要である。固定子の磁束がトルクの制御における最大レベルを越えて 増加するならば、回転子磁石の減磁が生じ得、電動機を間違いなく不動作状態に する。従って、これらの電動機におけるトルクを制御する能力は明らかに制限さ れる。 発明の概要 出願人は、射出成形機において電動機駆動部の利点をもたらすことを欲するが 、利用し得るＡＣ同期電動機の本質的なパワー制限、ならびにＡＣとＤＣの両方 のブラシレス・サーボモータにおける潜在的な回転子の減磁は回避したい。 出願人は、位置決め精度および繰返し性に悪影響を及ぼす運動における一般的 な鈍重性の故に、射出成形機における駆動システムに対してＡＣ誘導電動機が用 いられなかったものと判断した。しかし、出願人は、ベクトル制御技術に関して 特殊な制御アルゴリズムを実現することにより、ＡＣ誘導電動機を射出成形機に おけるサーボ機構駆動部として有効に使用できることを発見した。ベクトル駆動 部は、それらのＤＣ相等駆動部に勝る幾つかの利点を有する。これら駆動部は、 より広い速度範囲、より早い加速度を提供し、疲労および保守する機械的整流シ ステムを持たず、拡張された定常ＨＰ範囲を呈し、ＮＥＭＡ次元決定により機械 的にインターフェースを容易化し、製造者の在庫から容易に入手可能である。 出願人は、複数の、射出成形機においておそらくは４個以上の電動機を一時に １個以上動作させ、電動機駆動部に対するベクトル制御部を構成可能であること を更に発見した。これは、各電動機の動力部に対する制御部ＣＰＵ（中央処理装 置、即ち、コンピュータ）を多重化することにより行われる。射出成形機に対す るベクトル制御を実現することの短所の１つは、この形式のシステムに対するコ ントローラＣＰＵが非常に複雑かつ高価であることである。コントローラＣＰＵ を幾つかの電動機とパワー・トランジスタ間で共有することにより、機械の性能 を犠牲にすることなく、著しいコスト節減が実現される。 本発明の目的は、堅固であり、簡単な構造であり、信頼性に富み、優れた速度 およびトルク能力を持ち、永久磁石サーボモータと比肩し得るコストで得ること ができるベクトル制御されたＡＣ誘導電動機駆動部を備えた射出成形機を提供す ることにある。 本発明の関連する目的および利点は、必要なパワーを提供するため２個以上の 電動機を１つの駆動装置を集合化する必要もなく、１０００トン以上の緊締力が 可能なものを含む全範囲の射出成形機のためのベクトル制御ＡＣ誘導電動機駆動 部を提供することにある。 本発明の更なる目的および利点は、少ないコストで現在の水準技術の射出成形 機の性能要件に相等あるいはそれより優れた性能を提供するベクトル制御ＡＣ誘 導電動機駆動部を備えた射出成形機を提供することにある。 本発明の更に他の目的および利点は、緊締装置、押出し機および射出装置、な らびに電動機駆動部のためのベクトル制御部が複数の電動機を動作させるよう構 成される射出成形機において典型的に用いられる他の閉ループ動力系統のための ベクトル制御ＡＣ誘導電動機駆動部を備えた射出成形機を提供することにある。 図面の簡単な説明 図１ａおよび図１ｂは、固定子巻線に誘起されたＥＭＦを表わす信号と、それ ぞれＡＣ同期サーボモータとブラシレスＤＣ電動機とに対する固定子巻線に印加 された電流信号とを示し、 図２は、永久磁石ＤＣ電動機における速度とトルク間の関係を示し、 図３は、分巻きＤＣ電動機における速度、トルクおよび馬力間の関係を示し、 図４は、典型的にブラシレスＤＣ電動機と共に使用される制御回路要素を示す ブロック図、 図５は、電動機の電力モジュールのためのコントローラＣＰＵの多重化を示す ブロック図、 図６は、磁束とトルクに対する電流成分の波形とベクトル制御部により印加さ れる結果として得るベクトル電流波形とを示し、 図７は、ベクトル制御ＡＣ誘導電動機と関連して典型的に使用される制御回路 構成要素を示すブロック図、 図８は、３相電動機の２相等価分を見出すためのモデル化手順を示し、 図９は、誘導電動機における回転子の磁束位置角の直接的な測定に含まれる２ つのステップを示し、 図１０は、典型的な射出成形機において使用されるベクトル制御ＡＣ誘導電動 機を含む制御システムを示す概略ブロック図、 図１１は、ベクトル制御ＡＣ誘導電動機を取付けることができる射出成形機の １つの形式に対する全構造構成要素を示す。 望ましい実施例の説明 出願人は、ベクトル制御ＡＣ誘導電動機を用いる射出成形機駆動システムを開 発した。ＡＣ誘導電動機は多年にわたり産業用途で広く使用されてきたが、複雑 かつ高価な制御要件の故に、サーボモータとしては広く使用されてはいなかった 。低コスト、軽い重量、小さな慣性、少ない保守および高い効率などのＤＣ永久 磁石電動機と比較される誘導電動機の利点にも拘わらず、その主な用途は定速駆 動用途に止まっていた。 射出成形機におけるサーボモータとしての誘導電動機の有効な使用は、適切な 電子制御に依存する。全ての電動機形態における如く、誘導電動機で最大トルク を生じる能力は、固定子の磁束と回転子の磁束との間の９０°の関係を維持する ことにかかっている。永久磁石サーボモータにおいては、トルクを制御する能力 は、固定子磁束の制御能力と、固定子軸と回転子軸間の角度とに限定される。し かし、固定子の磁束が最大レベルを越えて増加すると、回転子磁石の減磁が生じ 得る。誘導電動機においては、固定子の磁気、回転子の磁気およびこれらの間の 角度の制御は、ベクトル制御によって行われる。この制御方策は、典型的にＤＣ 機械において行われると同じ動的性能（ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃ ｅ）をＡＣ誘導電動機から得ることが可能である。ＤＣ技術を少し研究すること で、ベクトル制御技術および方策の理解が容易になろう。 電動機は、２つの磁界の相互作用によってトルクを生じる。磁界の１つは回転 子からのものであり、他は電動機の固定子からのものである。これら磁界は、回 転子と固定子間の空隙における磁力線即ち磁束である。これらの磁界が整合状態 （北磁極と南磁極の関係）にあると、トルクは生成されない。磁界の一方が回転 されると、他の磁界は磁気的整合を維持するようにこれに従おうとする。負荷が 回転子に加えられると、その磁界は固定子と関連する他の磁界から遅れ始める。 負荷が増加されるに伴い、回転子の磁界は、磁界が整合状態から９０°外れるま で更に遅れることになる。この時、磁界は電動機における同期外れ（ｐｕｌｌｏ ｕｔ）トルクに等しいその最大の磁気的作用を生じる。 典型的な永久磁石ＤＣ電動機においては、電機子が回転子上にあり、永久磁石 は固定子にある。電動機における整流子およびブラシが、回転する電機子と固定 子の磁界の磁束間の磁束角度が機械的整流によって９０°に保持されるように回 転子巻線（電機子）に印加された電圧の極性を切換え、ＤＣ電動機はゼロの速度 から定格速度まで一定の（定格）トルクを生じることになる。図２は、この関係 を示している。 分巻きＤＣ電動機においては、永久磁石が電磁石で置換される。永久磁石電動 機と同様に、分巻き電動機の磁界巻線はフレーム上にあり、回転子が電機子巻線 を運ぶ。これら２つの巻線は電気的に独立しており、そのためこれら巻線の各々 に加えられる電圧を制御することができる。電圧が両方の巻線に加えられると、 回転磁界が回転子と固定子間の空隙に生成される。電動機により生じたトルク量 は、電動機の基底速度（ｂａｓｅ ｓｐｅｅｄ）まで電機子と界磁電流の積に比 例する。この電動機は、その定格速度まで定格トルクを生じることになる。定格 速度に達すると、電動機は図３に示されるようにその定格ＨＰを生じる。ある用 途が電動機にその定格速度以上で動作することを要求するため、一定ＨＰに対し て速度およびトルクが反比例することに注意すべきである。界磁電圧および電流 が低減されると、電機子の速度は増加し、ＨＰは一定のままとなる、図３参照。 電動機の定格速度動作より高い速度を要求する用途は、一般に定常ＨＰ用途と呼 ばれる。 磁界の一方の磁束を減じる即ち弱めることは、弱め磁界（ｆｉｅｌｄ ｗｅａ ｋｅｎｉｎｇ）と呼ばれる。永久磁石ブラシ電動機においては、固定子磁界に対 する制御ができなくなり、従ってその定格電圧以上に電機子電圧を増加しない定 格速度以上の動作は不可能である。 ブラシレスＤＣ電動機は同様な制御法に基いており、図４は典型的なブラシレ スＤＣ電動機制御部の基本的要素を示すブロック図である。この構成においては 、永久磁石が回転子上に固定され、界磁巻線は固定子に設けられる。ホール効果 センサが固定子ハウジング上に取付けられ、回転子の磁極がセンサを通過する毎 に回転子位置のフィードバック信号を生じる。先に述べたように、所要の速度と トルク値を得るために、固定子コイルにおいて印加電圧と電流とをそれぞれ制御 することが必要である。この制御は、典型的には、パルス幅変調（ＰＷＭ）の公 知技術を用いて所要の電圧および電流値を得る。従って、ＰＷＭにより、固定子 コイルに対する所要の印加電圧および電流を得ることができる。実際の結果（ｎ ｅｔ ｒｅｓｕｌｔ）は、図１ｂに示されるように各位相における電流ブロック １９の印加であり、これが電流調整器の出力により規定される大きさを持つ総電 動機電流を生じる。 トルク制御は典型的には用いられることはないが、ブラシレスＤＣ電動機はト ルク制御下で指令される。この場合、トルク制御は、トルク制限信号と速度エラ ー信号の両方に応答し、速度エラー信号をトルク限度信号に制限する。更に、速 度とトルクが設定され、速度エラー信号がこの設定トルク信号を越えないものと する正常な動作中は、電動機の制御が電動機を設定速度にする。電動機における 負荷が増加するに伴い、速度は減少し始め、速度エラー信号が増加する。電流調 整器が更に多くの電流を供給して、電動機を指令された速度へ戻す。負荷が増え 続けると、速度エラー信号がトルク限度信号により確立される限度に達する。こ の時、電動機はトルク制御下にある。次に、電流調整器がパルス幅変調器を制御 して、トルク限度に対応する電流およびトルクを電動機に確立する。このトルク 限度信号は変更可能であり、これに従って電流および電動機トルクが変化させら れる。トルク制御が用いられない時は、設定トルク信号がその最大値に設定され る。 ＡＣ誘導電動機もまた２つの磁界の相互作用によってトルクを生じるが、これ らの磁界が空隙に確立される方法はＤＣ電動機とは異なる。３相誘導電動機にお いては、巻線が固定子上にあり、２極電動機の各位相に対して２つの磁極が、４ 極電動機の場合は４つの磁極が、また６極電動機の場合は６つの磁極が、、の如 く固定子上に巻かれる。誘導電動機の回転子は、終端で短絡されるバーから構成 される。ＡＣ電力が固定子巻線に印加されると、回転する磁界が生じる。磁界が 回転すると、電流が回転子のバーに誘起され、回転子にトルクを生じて回転させ る。しかし、固定子の磁界と回転子に誘起された磁界との間の角度的整合は、必 ずしも９０°ではない。誘導電動機は磁界の角度を９０°に固定する整流子／ブ ラシ・システムを持たないので、ＤＣ電動機について述べたように（図２参照） 、ゼロ速度から定格速度まで定格トルクを本質的に生じることはない。 誘導電動機がゼロ速度から定格速度まで制御されたトルクを生じるためには、 固定子の（磁化用）磁束と回転子の（トルクを生じる）磁束に対する磁軸を９０ °に保持する電子制御装置が要求される。この形式の制御は、一般に磁界指向制 御、ベクトル制御あるいはトルク角制御と呼ばれ、一貫性のため、本明細書では この形式の電子制御を識別するためベクトル制御が用いられる。ベクトル制御は 、ＤＣ電動機における機械的整流子を実質的にシミュレートする磁束界の１つの 形態の電子整流を提供する。ベクトル制御は、電動機に印加される電圧および電 流の周波数および位相を調整して固定子と回転子の磁束間の９０°の位相関係を 維持する。これは、ゼロ速度および同期速度以上のような他の制御システムにお いてトルク制御が容易でない速度を含む全ての速度で電動機が高いトルク容量で 動作することを可能にする。 ベクトル・コントローラは、（磁化用）磁束の９０°成分で電動機に対して印 加される電流およびトルク電流を遮断する。これらの電流成分は、コントローラ のＣＰＵでベクトル的に付加される。図６は、電流成分の波形と、ベクトル・コ ントローラにより電動機の固定子巻線に印加される結果として生じるベクトル電 流波形とを示す。磁束あるいは磁化用電流成分は、電動機の定格速度まで実質的 に固定されたままであり、トルク電流成分は加えられる負荷に正比例するよう電 動機に対して調整される。誘導電動機のベクトル制御は、電動機のゼロ速度から 定格速度まで定格負荷における定格トルクを提供する。選択されるコントローラ と電動機の制限に依存する瞬間的負荷に対して１５０〜３００％のピーク・トル クが得られる。ベクトル駆動部によれば、定格速度より高い定常ＨＰ動作もまた 可能である。コントローラＣＰＵは、ユーザがプログラムした基底速度より高い 速度で磁束電流を減じて、電動機の速度制限またはコントローラの最大出力周波 数まで定常ＨＰ動作を行う。 ＡＣ誘導電動機のベクトル制御のための全体ブロック図が図７に示される。基 本的なＡＣ電動機は簡単であるが、可変速度動作はＤＣマシンよりも複雑な制御 法を要求する。調整可能周波数電動機駆動部の最も一般的な方法は、電圧と周波 数との間の固定された関係に依存する。これらの方法は、１つの変数を別の変数 に従属させる離散的な制御ループまたは内側／外側制御ループの抵抗とコンデン サを用いる。これらの方法は、ＤＣ駆動部と比して制限された性能を持つ駆動部 を生じる。これらは、４：１の速度範囲で充分である扇風機やポンプの如き用途 にほとんど適合する。 対照的に、ＡＣベクトル・コントローラは、一般的なＡＣ制御ループが欠く特 徴であるトルク要求信号の印加を許容する「端子」の相等物を提供する。コント ローラ・ロジックの一部である磁界指向装置および３相波形発生器が、この端子 を形成する。コントローラのＣＰＵにおける制御アルゴリズムが、離散的制御ル ープに置換される。 回転子磁束の位置角が既知であれば、誘導機における磁界の配向は同期機に対 すると同じ方法で実現することができる。しかし、この２つには２つの実質的な 相違がある。第一に、誘導電動機とは異なって、誘導電動機における回転子の磁 束の位置角度は直接的な測定可能な機械的量ではない。第二に、誘導電動機は、 磁化用およびトルク生成用の両構成要素に対する固定子電流に依存する。誘導電 動機においては、界磁電流が独立的に制御される。 誘導機においては、固定子電流は２つの成分、即ち、（磁化用）磁束とトルク 生成用電流とを有する。先に概要を述べたトルク制御要件に従うためには、これ らの２つの成分は分けられて独立的に制御されねばならない。更に、２つの電流 間の直角の関係が維持されねばならない。トルク制御のために概要を述べた要件 を達成するように、ＡＣ電流の振幅と位相の両方が制御されねばならない。 ３相機においては、３つの固定子電流と３つの回転子電流とがある。図８は、 ３相マシンの２相の相等分を見出すための一般的なモデル化手順を示しており、 これによりシステム変数の数を減少する。ｑ軸およびｄ軸が２つの位相を示し、 それらの間のハッチを施した領域が磁束とＭＭＦ（起磁力）間の相互作用を阻止 するのに必要な直角関係を強化する。ａ、ｂおよびｃ軸が３相の形態を表わす。 同様な変換が電圧、磁束などに対して保持され、固定子と回転子の両変数に同様 に適合し得る。 コントローラＣＰＵによる適切な変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が、 固定子電流のフィードバックからの固定子電流と基準フレーム（ｒｅｆｅｒｅｎ ｃｅ ｆｒａｍｅ）の速度のトルク生成成分と磁束生成成分とを提供する。結果 として得る独立的な電流が、関連する基準値と比較される。各エラーが、固定子 電流の位相調整器（ｐｈａｓｏｒ）の大きさと相互の位置を設定する。次いで、 逆の変換が固定子の基準フレーム（ｓｔａｔｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａ ｍｅｓ）おける情報を復元する。 回転子の磁束位置角度を決定する２つの基本的な試みがある。即ち、（１）角 度を電気的に測定っする直接的方式と、（２）界磁の配向に固有の滑り関係を用 いて角度を計算する間接的方法とである。磁束角度の測定は、図９ａおよび図９ ｂに示される２つのステップを必要とする。第一に、「Ｃ」で示す回転子磁束コ ンピュータが、測定可能量、即ち電動機の入力信号２２から回転子磁束成分２０ を計算する。次いで、界磁配向器（ｏｒｉｅｎｔｅｒ）「ＦＯ」が、回転子磁束 ベクトルの大きさ２４と角度２６とを計算する。制御ロジックにおいて正確にリ ンクすることができるこれらの機能（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、座標変換を可能に する磁束角度の如き重要な情報を提供する。また、磁束の振幅も調整の基礎を提 供する。従って、磁束の振幅と共に瞬間的な電動機トルクの計算を可能にする位 相電流情報が存在する。 界磁の配向の直接的方法が回転子磁束の位置角度の実際の測定に依存するので 、その実現は空間的な電動機およびセンサを必要とする。従って、間接的方法が しばしば選択されて、特殊化された電動機ハードウエアに対する必要を排除する 。エンコーダまたは他の速度センサが、間接的ベクトル制御方式のための標準的 な誘導電動機に対する唯一つの追加である。 図７に示される制御回路は、ＣＲＰＷＭ（電流調整されたパルス幅変調）イン バータを用いる間接的な界磁配向システムに基くものである。この界磁配向装置 は、図示されたフィードバックおよび基準値に基く電流のトルクおよび磁束を生 じる構成要素２８、３０を提供する。同期−固定子変換は、指令された電流３２ 、３４、３６、３８、４０を固定子に関する基準電流へ変換してＰＷＭトリガー 信号２０２を提供する。回転子の位置信号と滑り位置信号とを加算することで、 界磁角度を生成する。軸（増分）エンコーダが回転子位置を直接提供し、滑り計 算器（ｓｌｉｐ ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ）が滑り位置を生じる。図７のＣＲＰＷ Ｍに基くシステムにおいては、幾つかの機能が実際にコントローラＣＰＵにおけ るソフトウエアの一部であり、これらは界磁の配向、座標変換、２相／３相計算 （２ ｔｏ ３ ｐｈａｓｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）、および滑りの計算を 含む。実際には、ＰＷＭインバータを除く全ての機能は、１つ以上のＣＰＵを用 いるコントローラによって行われる。 一般的に先に述べたように、トルク制御のための３つの独立的に制御される要 件、即ち、電機子電流、定常磁界磁束および磁束角度とＭＭＦ軸間の９０°の角 度がある。このシステムがどのようにこれらの要件を満たすかを知るため、下記 の観察を行うことができる。これは、ＤＣ電動機と同じ方法で固定子電流の独立 的な電流制御を用いる。トルク生成電流とは独立的な磁束生成電流を制御するこ とで、独立的な磁束制御を行う。固定子電流は、２つの独立的に制御される成分 を有する。回転子の位置と滑り周波数から計算される１つの電動機界磁角度を用 いることで、トルク生成電流に関する回転子磁束の空間的配向を維持する。 図１０は、典型的な射出成形機における動力の供給源としてベクトル制御ＡＣ 誘導電動機を使用することを示す概略ブロック図である。マシン制御部（ｍａｃ ｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）１０４が、オペレータ押しボタンおよび入力スイッ チ８５と表示装置８６とを含むオペレータ・ステーション８４に接続される。オ ペレータ・ステーション８４における表示装置８６は、表示灯に限定され、ある いは射出成形サイクルの状態に関するリアルタイム情報を提供することができる カラー陰極線管または他のパネル・ディスプレイでよい。マシン制御部１０４は 、Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ Ｍｉｌａｃｒｏｎ社により製造され市販されるＣＡＭ ＡＣシリーズの射出成形機制御部の如き閉ループ能力を提供する適切な制御部に よって示される。このような制御部の一例は、参考のため本文に明示的に援用さ れる米国特許第４，７４５，５４１号に記載されている。制御部１０４は、基本 的には論理プロセッサ７１と、関連するプログラムおよびデータ・ストア７３と からなっている。ストア７３は、典型的には、論理プロセッサ７１に対するオペ レーティング・システム・プログラムを格納するメモリと、射出成形機の動作サ イクルを生じる論理プロセッサにより実行されるべき一連の論理命令を格納する メモリとを含む。論理命令は、一般に予めプログラムされてストア７３における ＲＯＭメモリにロードされている。ストア７３は更に、所定の動作サイクルと関 連するデータを格納するためのメモリを含んでいる。このデータは、所要の位置 、速度、温度、圧力、および受入れ得る部品を得るためマシンを動作させるのに 必要な設定点または限度を表わす他のデータを表わす。オペレータは、オペレー タ・ステーション８４を介して設定点データを修正することができる。 論理命令を実行する際、論理プロセッサ７１は、Ｉ／Ｏインターフェース７７ を介して、動作サイクルを開始するため、速度、トルクおよび他の設定点の指令 信号を適切な電動機コントローラおよび他のマシン装置に対して生じることによ ってマシンのリアルタイム機能を制御する。プロセッサ７１は、マシンから位置 、速度、圧力、温度および他の信号を受取り、制御ループ・プロセッサ７５を用 いて、現在の設定点信号の状態を変更しあるいは終了させ、そして（または）動 作サイクルを継続するためマシンに対する新たな設定点信号を生成するよう動作 する。 ストア７３はまた、論理プロセッサ７１および制御ループ・プロセッサ７５に よって共用されるデュアル・ポート・メモリ５３をも含む。制御ループ・プロセ ッサ７５の１つの機能は、制御部１０４におけるサーボループを閉路することで ある。例えば、制御ループ・プロセッサ７５は、デュアル・ポート・メモリーか ら速度指令信号を読出して、これをバッファ６３に格納することができる。バッ ファされた速度指令信号はコントローラ８７へ与えられて、クランプ装置（ｃｌ ａｍｐ ｕｎｉｔ）の運動を指令し、クランプ装置の位置を表わす線９８上の位 置フィードバック信号がＩ／Ｏインターフェース７７を介して受取られる。制御 ループ・プロセッサ７５は加算器６５においてストア７３のデュアル・ポート・ メモリー部分に格納されたプログラムされた位置設定点信号を位置フィードバッ ク信号に代数的に加算する。結果として得る和がゼロに等しい時、即ち、クラン プ装置の実際の位置がプログラムされた位置に等しい時、制御ループ・プロセッ サ７５はコントローラ８７に対する現在の速度指令信号を終了するか、あるいは 新たな速度指令信号をバッファ６３へ与える。同様に、圧力フィードバック信号 が、射出装置１０２における押出しスクリューにおける圧力を測定するマシンに おける圧力トランスジューサ１６８からＩ／Ｏインターフェース７７を介して受 取られる。アナログ圧力フィードバック信号が、対応するディジタル信号へ変換 され、この信号が加算器６５においてストア７３のデュアル・ポート・メモリー 部分に格納されたプログラム圧力設定点または限度信号に代数的に加算されある いは比較される。実際の圧力が圧力限度を越えるならば、圧力差を表わすエラー 信号が信号修正器（ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｉｆｉｅｒ）５１により用いられてバ ッファ６３における速度指令信号を修正しあるいは減じる。制御ループ・プロセ ッサは、ディジタル技術またはアナログ技術のいずれかを用いて具現される。マ シン制御部１０４は、他の構成要素、能力および機能を有するが、これらの論議 は本発明の理解のためには必要でない。 サイクルにおける適切な時点において、速度およびトルクの設定点信号がベク トル電動機コントローラ８７、８８、８９および９０に対して生成される。これ らのコントローラは、構成および動作において図７において述べたベクトル・コ ントローラと実質的に同じものである。クランプ電動機コントローラ８７の動作 を簡単に要約すると、電動機コントローラ内部の速度制御部は、入力９２におけ る速度指令信号およびＡＣ誘導電動機１２４からの線９３における速度フィード バック信号に応答して、速度エラー信号を生じる。同様に、コントローラ８７の 内部で、トルク制御部が入力９１におけるトルク限度信号と、コントローラ８７ 内部で生成された電動機電流フィードバック信号とに応答してトルク・エラー信 号を生じる。パルス幅変調器は、コントローラ８７により決定される如きエラー 信号のいずれか一方または両方に応答して、インバータ駆動ロジック（ｉｎｖｅ ｒｔｅｒ ｄｒｉｖｅ ｌｏｇｉｃ）に対する変調された出力信号を生じる。コ ントローラ８７におけるインバータ駆動ロジックは、ホール効果センサまたはＡ Ｃ誘導電動機１２４における他の適切な検出装置によって生じる線９４上の回転 子位置信号に応答してインバータ・パワー・トランジスタの切換えを制御し、こ れにより電動機１２４の固定子コイルに接続された線９５、９６、９７に３相駆 動信号を生じる。 電動機１２４は、クランプ装置１００に機械的に接続され、クランプ部材間に 相対的運動を生じる。位置フィードバック装置１３２はクランプ装置に接続され て、線９８上に可動クランプ部材の位置を表わす位置フィードバック信号を生じ る。更に、コントローラ８７はまた、電動機１２４の角速度を表わす、マシン制 御部１０４に対する速度フィードバック信号を生じる。速度フィードバック信号 はどれかあるいは全てのコントローラによって生じるが、これは、図１０におい て線１０１における押出し電動機コントローラ８９によって生じるものとして示 される。電動機コントローラ８８、８９、および９０、およびそれらの各サーボ モータ１５６、１４８、１０３の動作は、述べたばかりの緊締電動機コントロー ラ８７およびＡＣ誘導電動機１２４の動作と類似する。圧力の特性付けの間の射 出成型装置の制御において用いられる１つの別の信号は圧力トランスジューサ１ ６８からの圧力フィードバック信号であり、この信号はマシン制御部１０４へ入 力されて射出圧力の直接的な測定を可能にする。 図１１は、ＡＣ誘導電動機が用いられる射出成形機を示している。この機械は 、それぞれ基部１０５に載置されたクランプ装置１００と射出装置１０２とから なっている。 クランプ装置１００は、プラテン隅部において４つの結合バー（ｔｉｅ ｂａ ｒ）により接続される矩形状の静止プラテン１０８、１１０からなっている。２ つの結合バー１１２、１１４が図示される。この結合バーは、可動プラテン１１ ６に対するガイドとして働く。型半部（ｍｏｌｄ ｈａｌｖｅｓ）１１８、１２ ０はそれぞれプラテン１１６、１１０に固定され、クランプ部が図示される閉鎖 位置にある時、型のキャビティ１２２が型半分間に形成される。ゲート開口１２ ３が型半分１２０と静止プラテン１１０間を通過して溶解プラスチック（ｐｌａ ｓｔｉｃ ｍｅｌｔ）の型空隙部１２２内への射出を許容する。可動プラテンは 、静止プラテン１０８に載置されたＡＣ誘導電動機１２４によって動作させられ る。この電動機は、ベルト結合部１２７によりボール・スクリュー（ｂａｌｌ ｓｃｒｅｗ）１２６に接続される。歯車駆動部または他の機械的結合部もまた使 用することができる。ボール・スクリュー・ナット１２８がトグル機構１３０に 取付けられ、これがクランプ装置１００を動作させる際に電動機１２４に対する 機械的利点を提供する。線形ポテンショメータの如き位置フィードバック装置１ ３２が、静止プラテン１０８に関連する可動プラテン１１６の位置を表わす信号 を生じる。 射出装置（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）１０２は、押出しスクリュー１４ ２が内部に回転自在かつ変位自在に取付けられた管状バレル１４０からなってい る。このスクリューは静止部材１４４に支持され、スクリュー１４２の一端部が 可動部材１４６に回転自在に固定されている。スクリュー１４２の回転運動は、 ベルト結合部１５０によりスクリューに機械的に結合された電動機１４８によっ て与えられ、これは他の適切な機械的結合部によっても実現することができる。 可動部材１４６は１対の平行なバー・ガイドに載置し、その一方は静止部材１１ ４、１５４間に接続されて１５２で示される。部材１５４に載置されたＡＣ誘導 電動機１５６は、ベルト結合部などによってボール・スクリュー１５８に接続さ れている。ボール・スクリュー・ナット１６２は可動部材１４６に取付けられ、 従って、電動機１５６は、静止プラテン１１０に関して出入りするように部材１ ４６および押出しスクリュー１４２を直線運動させるよう動作する。部材１４６ の位置を表わす位置フィードバック信号は、典型的に線形ポテンショメータとし て示したる周知のフィードバック装置１６４から得られる。 図１０および図１１において、射出成形機において典型的に使用される幾つか の他の電動機が存在する。エジェクタ装置（ｅｊｅｃｔｏｒ ｕｎｉｔ）１７０ は、鋳型と一体化され、鋳型が開口される時完成した成形部品を押出すように働 く。このエジェクタ装置は、電動機コントローラ９０に接続されるＡＣ誘導電動 機１０３に接続されている。マシン制御部（ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ） １０４は、射出成形サイクルの適切な時点において、かつフィードバック装置１ ７２からの射出装置位置フィードバック信号に応答して、速度設定点信号をコン トローラ９０に対して与える。エジェクタ装置は、異なる鋳型の種々の要件およ び動作を許容するようにサーボ制御下にある。 金型高さ装置（ｄｉｅ ｈｅｉｇｈｔ ｕｎｉｔ）１７４は、典型的には図１ １に示されるタイ・バーおよびプラテン１０８に一体化されている。この金型高 さ装置は、トグル機構（ｔｏｇｇｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）１３０と可動プラ テン１１６とを含み、鋳型が閉鎖位置にある時異なる鋳型厚さを持つ異なる鋳型 を許容するように静止プラテン１１０に対するプラテン１０８の間隔の調整を行 う。この金型高さ装置は、電動機スタータ１７８に接続されるＡＣ電動機１７６ によって制御される。金型高さの調整はオペレータにより手動で制御され、その 結果マシン制御部１０４が電動機スタータ１７８に対する指令信号を前送しある いは後送する。 射出スレッド１８０は、全体的に基部１０５上のトラック（図示せず）に載置 して射出装置１０２全体を支持し、これにより射出装置が静止プラテン１１０に 関して前進後退することを許容する。射出スレッドは、電動機スタータ１８４に 接続されるＡＣ誘導電動機１８２に機械的に結合されている。再び、この装置の 動作はオペレータによって手動で制御され、その結果マシン制御部１０４が電動 機スタータ１８４に対する前走あるいは後送指令信号を与えることになる。電動 機１７６および１８２はＡＣとして認識されるが、これらは単に汎用電動機であ り、特定の用途に最も適合する如き、ＡＣまたはＤＣブラシ型、あるいはブラシ レス（永久磁石）ＤＣまたはＡＣ型、あるいはＡＣ誘導型でよいことに注意すべ きである。実際に、本発明の制御はマシン性能を最適化するために電動機形式の どんな組合わせでもよいものとする。 図１０および図１１において、図示された閉鎖位置におけるクランプ装置１０ ０ら初めて１つの動作サイクルを簡単に述べる。また図示されるように、ソリッ ド・サーモカップル、サーモスタットまたはホッパー１６６からの他の材料が、 スクリューの前方に液相の溶解されあるいは射出されたプラスチックを形成する ため可塑化された。可塑化時間は、バレル１４０に外部熱を典型的には円周方向 に配置された複数のヒータ・バンド１４１によって与えることにより最適化され る。射出サイクルを開始するため、マシン制御部１０４が、部材１４６およびス クリュー１４２をプラテン１１０に向けて直線的に運動させるために、速度指令 を電動機１５６に対して与える。位置フィードバック装置１６４により検出され る如きプラテン１１０に関連するスクリュー１４２の位置の関数としてスクリュ ー１４２の線形速度を制御するために、幾つかの速度指令信号がマシン制御部１ ０４によって与えられる。スクリュー１４２がバレル１４０内で静止プラテン１ １０に向かって直線的に運動するに伴い、溶解プラスチックがオリフィス１４３ およびゲート開口１２３を介して型空隙部１２２に射出される。この時、スクリ ュー１４２の直線運動の終りを規定するスクリュー位置が位置フィードバック装 置１６４により検出され、マシン制御部１０４が充填サイクル（ｐａｃｋ ｃｙ ｃｌｅ）へ移動する。あるいはまた、マシン制御部１０４は、予め定めた期間の 終り、あるいは圧力トランスジューサ１６８により測定される如き圧力が予め定 めた圧力限度を越える時、充填サイクルへ進行する。以降の充填サイクルおよび ホールド・サイクルにおける射出サイクルの間、押出し電動機コントローラ８９ がゼロ速度信号と最大トルク指令信号を与えられる。これらの信号は、射出、充 填およびホールドの諸サイクルの間、スクリューに与えられる直線作用力の存在 時に射出スクリューが回転しないように保持するのに必要である。 充填サイクルの間、マシン制御部は、速度指令信号と予め定めた期間に対する １つ以上のトルク指令信号とを与える。その目的は、材料を鋳型内へ押圧し続け ることと、鋳型充填プロセスを完了することである。電動機コントローラ８８は 、速度指令を得るために電動機１５６に対して電流を与える。しかし、トルクに 比例する電動機電流フィードバックに基いて、電動機のトルク制御は、指令され た トルクが越えられないように電流を制限することになる。予め定めた期間の終り に、充填サイクルの終りをマークして、マシン制御部１０４はホールド・サイク ルへ進む。再び、マシン制御部は、ホールド・サイクルの間トルク制限特性を与 える予め定めた期間だけ、予め定めた速度指令信号と１つ以上のトルク指令信号 とを与える。ホールド・サイクルの終りをマークする予め定めた期間の後、マシ ン制御部１０４は冷却サイクルへ進み、このサイクル中は成形された部品が冷却 する更なる期間にはトルク指令信号または速度指令信号は存在しない。 冷却サイクルの間、マシン制御部１０４は、押出し電動機１４８が溶解材料の 新たなショットをスクリュー１４２の前方に押出すように動作させられる押出し 器動作サイクルを開始する。同時に、電動機１５６は、溶解プラスチック材料に 予め定めた圧力を、あるいは押出しスクリュー１４２に予め定めた逆圧力を維持 しながら、スクリュー１４２をプラテン１１０から後退させるように動作させら れねばならない。マシン制御部１０４は、コントローラ８９に対して速度指令を 与えて、更なるプラスチック材料を可塑化させて、これをオリフィス（ｏｒｉｆ ｉｃｅ）１４３に隣接するスクリューの前方へ送るため、押出しスクリュー電動 機１４８にスクリューを回転させる。同時に、マシン制御部は、電動機コントロ ーラ８８に対してゼロ速度指令とトルク制限指令とを与えて、電動機１５６に回 転させないようにするがスクリュー１４２に対する予め定めた逆圧力を維持させ る。スクリューの前方に圧力が溜められるに伴い、ゼロ速度を維持するため、即 ち、電動機を回転させないようにするためコントローラ８８はより多くの電流を 電動機１５６へ供給しなければならない。マシン制御部における電流検出器がト ルク指令より大きなトルクを表わす電流を検出すると、コントローラ８８内部の トルク制御は速度制御を無効化し、電動機が回転することを許容される。この電 動機の回転はスクリュー１４２をプラテン１１０から後退させて、指令されたト ルク限度まで逆圧力を減じる。その結果、スクリュー１４２が回転して溶解プラ スチックのショットを溜めるに伴い、スクリューはプラテン１１０から後退させ られてスクリューにおける予め定めた逆圧力を維持する。 マシン制御部１０４は、フィードバック装置１６４により検出される如き押出 しスクリュー１４２の位置の関数として、コントローラ８９に対して１つ以上の 速度指令を、またコントローラ８８に対して１つ以上のトルク指令を与える。ス クリュー１４２が予め定めた最終位置に達すると、マシン制御部は押出し電動機 １４８の動作を停止して、速度指令をコントローラ８８へ発行し、スクリューを 更に運動させて溶解プラスチック材料から圧力を除き、スクリュー１４２から逆 圧力を除く。成形された部品冷却サイクルの終りに、マシン制御部１０４はまた 速度指令信号を電動機１２４へ与えて、可動プラテン１１６を静止プラテン１１ ０から遠去る方向に運動させて鋳型を開口する。異なる速度指令信号が、位置フ ィードバック装置１３２により検出される如きその位置に従ってプラテン１１６ の予め定めた加速度と減速度とを生じるように与えられる。鋳型が開かれる間、 制御部は、速度指令信号を鋳型半部１１８により支えることができる成形部品射 出機構（図示せず）を動作させるエジェクタ電動機（ｅｊｅｃｔｏｒ ｍｏｔｏ ｒ）１０３を含むエジェクタ装置１７０へ与える。エジェクタ電動機１０３の動 作は、マシン制御部１０４から速度指令信号を受取る電動機コントローラ９０に よって制御される。制御部１０４はまた、位置フィードバック装置１７２からエ ジェクタ位置フィードバック信号を受取って部品エジェクタ機構（ｐａｒｔ ｅ ｊｅｃｔｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）（図示せず）の位置を制御する。異なる速 度指令信号が、位置フィードバック装置１７２により検出される如きエジェクタ 機構の位置の関数として与えられる。完成した部品が鋳型から押出され、次いで 、位置フィードバック装置１７２により検出される如きエジェクタ機構の位置の 関数としてマシン制御部１０４により与えられる速度指令の制御下で、エジェク タ電動機１０３が部品エジェクタ機構をその元の位置へ戻す。 完全に開口された鋳型緊締位置が検出されると、制御部１０４は速度指令信号 を与えてプラテン１１６を反対方向における運動を開始し、鋳型半部を再び一緒 にする。制御部１０４は、プラテン１１６の位置に従って幾つかの速度指令を生 じて加速度および減速度を制御し、鋳型半部を制御された接触状態にする。例え ば、可動プラテン１１６は、最初は静止プラテン１１０に向かって早い速度で運 動させられて、予め定めた位置に達するまで全サイクル時間を短縮する。その後 、別の位置がフィードバック装置１３２によって検出されるまで、低い速度を表 わす速度指令がコントローラ８７へ与えられる。次にマシン制御部１０４は、低 い 値のトルク指令信号を持つ速度指令を与える。正常な状況においては、鋳型半部 はフィードバック装置１３２により検出される如き完全に閉鎖された位置へ一緒 に置かれる。しかし、鋳型半部間に干渉が存在するならば、トルク制限制御が速 度制御を無効化して、電動機に対する電流を減じて電動機速度および運動を減少 させ、鋳型半部が干渉により生じる破損から保護する。 鋳型半部が完全に閉鎖された位置に達するものとすると、トルク指令値が増加 され、速度指令が与えられてトグルを図１１に示される如きロック完了位置へ運 動させる。鋳型クランプ力は、フィードバック装置１３２により検出されるトグ ル機構１３０の最終位置によって決定され制御される。 先に述べた制御シーケンスは射出成形機を有効に動作させるが、マシン性能を 改善するこれに代わる試みも用いることができる。マシン・サイクルのある部分 では、電動機の動作中にトルクの脈動あるいはサージが生じ得、このことは低速 度において更に顕著になりがちであり、完成部品の特性におけるばらつきを生じ 得る。トルクの脈動を最小化するため、プロセスまたはマシン力を表わす圧力ま たは他の変数をサーボモータ速度ループを用いて制御することもできる。 例えば、射出電動機におけるトルク脈動は、押出し機スクリューと溶解材料間 の圧力に周期的に類似する変動を生じる。圧力設定点付近のこれら圧力変動は、 圧力が増大する時速度指令信号が減じられ、またその反対になるように速度指令 信号を逆に修正するために用いることができる。その結果は、トルク脈動により 生じる圧力変動がサーボモータ速度ループを用いて圧力を制御することにより実 質的に減少させ得ることである。圧力フィードバック信号は、制御ループ・プロ セッサ７５により用いられて制御部１０４内部の圧力ループを閉じる（図１０参 照）。閉じられたループ・プロセッサ７５は、圧力トランスジューサ１６８から の圧力フィードバック信号をプログラムされた圧力設定点または限度と比較して 、圧力限度と圧力フィードバック信号との間の代数差を表わすエラー信号を生じ る。このエラー信号は、論理プロセッサ７１からの速度指令信号を修正するため に用いられる。従って、電動機コントローラ内部のサーボモータ速度ループは、 制御部１０４内の圧力制御ループによって制御される。 再び図１０および図１１において、射出サイクルの間、マシン制御部１０４に おける制御ループ・プロセッサ７５が押出しスクリュー１４２の位置の関数とし て速度指令信号を生じる。更に、制御ループ・プロセッサ７５は、プログラムさ れた圧力限度を圧力フィードバック信号により表わされる如き実際の圧力と比較 する。実際の圧力が圧力限度と等しいかあるいはこれより小さい限り、マシンは 速度制御下にとどまり、コントローラ８８は押出し機スクリューを速度指令信号 に等しい速度で運動させるよう動作することになる。しかし、実際の圧力が圧力 限度を越える時、制御ループ・プロセッサ７５は、速度指令信号が圧力エラー信 号の大きさに比例して低減される圧力制御モードへ切換わる。制御ループ・プロ セッサは、実際の圧力が再び圧力限度に等しいかあるいはこれより小さくなるま で速度指令信号の大きさを制御し続け、その時電動機コントローラ８８は再び速 度指令信号の排他的制御下にある。この射出サイクルは、マシン制御部を充填サ イクルへ変移させる押出し機スクリュー位置に達するまで、先に述べた如き速度 または圧力の制御下で継続する。 先に述べたように、充填サイクルの間、マシン制御部１０４は予め定めた期間 にわたり１つ以上のトルク指令信号を生じる。代替的な圧力フィードバックを用 いる時、サーボモータのトルク制御は用いられない。その代わり、制御ループ・ プロセッサ７５は、予め定めた期間にわたり１つの速度指令信号と１つ以上の圧 力設定点信号とを生じる。この制御ループ・プロセッサは、射出サイクルに関し て述べた如く機能する。プロセッサ７５は、実際の圧力が圧力設定点に等しい限 り、プログラムされた速度指令を生じる。しかし、実際の圧力が圧力設定点から 変化するならば、制御ループ・プロセッサは圧力エラー信号の関数として速度指 令信号を修正する。充填サイクルを規定する予め定めた期間の後、制御部１０４ はホールド・サイクルへ変移する。先に述べた如きトルク制御を用いる代わりに 、ホールド・サイクルは、押出し機スクリュー圧力の関数としてサーボモータの 速度制御を修正することによって制御することができる。 図１０および図１１に関して先に述べたように、押出し機動作サイクルは、押 出し機スクリューがスクリューの前方にある量の溶解プラスチックを溜めるよう に回転することを要求する。同時に、電動機１５６は、スクリューに予め定めた 逆圧力を維持するようにトルク限度指令によりゼロ速度信号を与えられる。これ に代わる制御方法では、速度指令は与えられるが、サーボモータのトルク制御は 用いられない。その代わり、先に述べたように、圧力制御ループが、制御部１０ ４内で閉じられ、押出し機スクリューにおける実際の圧力が圧力設定点から変動 するならば、速度指令信号を修正するために用いられる。 射出電動機トルク制御とは対照的に、押出し機スクリュー圧力の関数として射 出サーボモータ速度ループを制御する別の試みを用いることにより、射出成形機 における電動機のトルク脈動を実質的に低減することができる。全体的効果は、 圧力の変動を低減させること、およびベクトル制御されたＡＣ誘導電動機を用い る射出成形機における圧力制御性能を実質的に改善することである。 射出成形機におけるベクトル制御を実現することの短所の１つは、この形式の 制御システムに対するコンピュータ部が非常に複雑で高価であることである。シ ステムの経費および複雑さを減じるため、電動機駆動部に対するベクトル制御は 、複数の電動機、おそらくは射出成形機における全ての電動機を一時に１個以上 動作させるように構成することができる。これは、図５のブロック図により示さ れる如く、各電動機の動力セクションに対するコンピュータ・コントローラ回路 を多重化することにより達成される。実際には、電動機コントローラ８７、８８ 、８９および９０（図１０）がＣＰＵセクションと動力セクション（モジュール ）とに分けられ、１つのＣＰＵセクション１９０が４つの動力モジュール１９４ 、１９６、１９８および２００を支援するよう使用できるようにする。ＣＰＵセ クション１９０は、動力モジュール１９４、１９６、１９８および２００の各々 に含まれるインバータを除いて、図７に示される制御回路要素の実質的に全てを 含む。ＣＰＵセクション１９０を幾つかの電動機とパワー・トランジスタ間で共 有することにより、マシン性能を犠牲にすることなく著しいコスト節減が実現さ れる。 典型的な射出成形機が種々の軸に対する電動機を一時に１つずつ全体的に付勢 することに投資することにより、ＣＰＵセクション１９０は各駆動軸の電力増幅 器セクション間で有効に共有（多重化）される。この多重化能力は、スイッチ・ バンク（ｓｗｉｔｃｈ ｂａｎｋ）１９２がＰＷＭトリガー信号２０２をベクト ル・コントローラのＣＰＵセクション１９０から運動が要求されるマシン軸の電 力増幅器セクション（電力モジュール）１９４、１９６、１９８、２００へ切換 えることを必要とする。スイッチ・バンク１９２は、１組（６つ）のＰＷＭ（ト ランジスタ）トリガー信号２０２をＣＰＵセクション１９０から適切な動力モジ ュール１９４、１９６、１９８、２００へ指向させることにより多重化を実施す る。スイッチ・バンク１９２に対する指令入力信号は、マシン制御部１０４から 、あるいはマシンの順序付けを行っている個々のプログラム可能な論理コントロ ーラから得ることができる。スイッチ・バンク１９２は、機械的スイッチまたは ソリッドステート・スイッチのいずれかを含み得、スイッチの形式如何に拘わら ず、外部の指令入力信号に基いて切換える能力がなければならない。 先に述べた多重化および関連する切換えが、永久磁石型のＡＣおよびＤＣブラ シレス電動機の如き電気的に制御される他の形式の電動機の駆動系統にも等しく 適用し得ることに注意すべきである。例えばブラシレスＤＣ電動機においては、 コンピュータ・セクションは（ベクトル駆動回路ではなく）図４に示される回路 要素を含み、前のように、インバータが個々の動力モジュールの各々に含まれる ことになる。 先に述べたように、ＡＣ永久磁石サーボモータが射出成形機に適用されたが、 それらを使用することは幾つかの本質的な短所をもたらす結果となる。第一に、 ＡＣサーボモータは高いサーボモータ性能を得るように設計され、典型的に工作 機械、ロボットおよび他の産業装置に適用されてきた。この高いサーボ機構性能 特性は、このような用途において要求されるより大きな位置決め精度の故に要求 される。このことは、更に、慣性、大きさ、および結果的に電力を最小化するサ ーボモータ設計を導く。制御部の複雑性および希土類磁石のコストが、ＡＣサー ボモータの価格を著しく増加する。更に、より大きな電動機電力が要求される高 負荷用途においては、２つ以上の電動機が一緒にまとめられねばならず、これが 更にコストを増加させる。更に、ＡＣサーボモータの集合化は、機械的構造およ び制御部における付加的な問題を増し、効率に悪影響を及ぼすおそれがある。 図１１に戻って、ベクトル制御されたＡＣ誘導電動機はクランプ電動機（ｃｌ ａｍｐ ｍｏｔｏｒ）１２４として特に有効である。射出成形機の大きさがより 大きな部品を作るためより大きなサイズ、例えば、５００トン以上のクランプ力 になるに伴い、要求される成形クランプ力を得るために２つ以上のＡＣ永久磁石 サーボモータが一体にされる必要がある。ＡＣ誘導電動機の場合、５００トン以 上のクランプ力のマシンを含むより広い範囲のマシン・サイズに対するクランプ を良好に動作させるのには唯一つの電動機でよい。 同様に、射出装置電動機１５６および押出し機電動機１４８に対しては従来の 永久磁石サーボモータが使用されている。再び、ＡＣ誘導電動機は専らベクトル 制御により制御することができ、より大きなマシン・サイズの場合は、複数のＡ Ｃ永久磁石サーボモータとは対照的に、唯一つの電動機でよい。 射出成形機のサーボ・システムへのベクトル制御ＡＣ誘導電動機の使用は、複 雑な産業装置における満足し得る性能を得るために永久磁石サーボモータが要求 される伝統的な信念に従う他の人達からは排斥されてきた。 本発明は添付図面に示された望ましい実施例に従ってやや詳細に示され、望ま しい実施例がやや詳細に記述されたが、本発明をこのような細部に限定する意図 はない。反対に、本発明は、請求の範囲の趣旨および範囲に妥当する全ての修正 、変更および相等技術を包含すべきものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．成形された部品を画定する鋳型空隙部（１２２）を形成する鋳型要素（１１ ８、１２０）内へ溶解材料を射出することにより、成形部品を作るための射出成 形機において、 （ａ）開口位置と閉鎖位置との間に鋳型要素を支持して移動するためのクラン プ手段（１００）と、 （ｂ）鋳型空隙部と整流する端部を有する管状バレル（１４０）内に回転自在 かつ変位自在に支持されたスクリュー部材（１４２）を含む、鋳型空隙部内へ溶 解材料を射出するための射出手段（１０２）と、 （ｃ）クランプ手段に機械的に結合されて鋳型要素に相対的運動を与えるため の第１の駆動手段（１２４、１２６、１２８）と、 （ｄ）射出手段に機械的に結合されてスクリュー部材を回転させるための第２ の駆動手段（１４８）と、 （ｅ）射出手段に機械的に結合されて管状バレル内部のスクリュー部材を変位 させるための第３の駆動手段（１５６、１５８、１６２）と を備え、 （ｆ）第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の駆動手段の少なくとも１つが 更に、 （１）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子と、回転子の角度位置 を検出する手段とを有するＡＣ誘導電動機（１２４、１４８、１５６）と、 （２）電動機指令信号に応答してＡＣ誘導電動機を制御するベクトル・コン トローラ手段（８７、８８、８９）とを含み、該ベクトル・コントローラが前記 ＡＣ誘導電動機に接続され、かつ該ベクトル・コントローラが （ｉ）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分および磁束生成成分を計 算するＣＰＵと、 （ii）電流を調整するためＣＰＵ計算に基くパルス幅変調トリガー信号を 生成する電流コントローラ手段と、 （iii）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された電流を固定子巻 線に与えて整流効果を生じることにより、ＡＣ誘導電動機に対する制御トルクお よび速度を生成する電力増幅手段と、を含み、 （ｇ）ベクトル・コントローラ手段に接続されて電動機指令信号を生じる成形 機制御手段（１０４）を備える 射出成形機。 ２．第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の駆動手段の少なくとも別の１つが 、 （ａ）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子と、回転子の角度位置を 検出する手段とを有するＡＣ誘導電動機（１２４、１４８、１５６）と、 （ｂ）ＡＣ誘導電動機に接続されて該電動機を制御するベクトル・コントロー ラ手段（８７、８８、８９）とを備え、該ベクトル・コントローラ手段が （１）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束生成成分とを計算す るためのＣＰＵと、 （２）ＣＰＵの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生じて電流を調整す る電流コントローラ手段と、 （３）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された電流を固定子巻線に 与えて整流効果を生じることにより、ＡＣ誘導電動機に対する制御されたトルク および速度を生成する電力増幅手段とを含む ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ３．各駆動手段のベクトル・コントローラ手段が、多重化手段（１９２）に接続 されて、電流コントローラ手段により生じるパルス幅変調トリガー信号を、外部 の指令入力信号に基く各ＡＣ誘導電動機に対する電力増幅手段（１９４、１９８ 、２００）へ切換える共通のＣＰＵ（１９０）を共有する請求の範囲第２項記載 の装置。 ４．第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の駆動手段の各々が、 （ａ）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子と、回転子の角度位置を 検出する手段とを有するＡＣ誘導電動機（１２４、１４８、１５６）と、 （ｂ）各ＡＣ誘導電動機に接続されて各電動機を制御するベクトル・コントロ ーラ手段（８７、８８、８９）と、を含み、該ベクトル・コントローラ手段が、 （１）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束生成成分とを計算す るＣＰＵと、 （２）ＣＰＵの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生じて電流を調整す る電流コントローラ手段と、 （３）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された電流を固定子巻線に 与えて整流効果を生じることにより、ＡＣ誘導電動機に対する制御されたトルク と速度とを生成する電力増幅手段とを含む ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ５．（ａ）鋳型空隙部から成形された溶解部品を押出すエジェクタ手段（１７０ ）と、 （ｂ）鋳型要素に対してクランプ手段を調整する金型高さ手段（１７４）と、 （ｃ）鋳型要素に対して射出手段を位置決めする射出スレッド手段（１８０） と、 （ｄ）エジェクタ手段に機械的に接続されて成形部品に対して運動を与える第 ４の駆動手段（１０３）と、 （ｅ）金型高さ手段に機械的に接続されてクランプ手段の位置を調整する第５ の駆動手段（１７６）と、 （ｆ）射出スレッド手段に機械的に接続されて射出スレッド手段に対して相対 運動を与える第６の駆動手段（１８２）と を備え、 （ｇ）第４の駆動手段と第５の駆動手段と第６の駆動手段の少なくとも１つが 更に、 （１）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子と、回転子の角度位置 を検出する手段とを有するＡＣ誘導電動機（１０３、１７６、１８２）と、 （２）電動機指令信号に応答してＡＣ誘導電動機を制御する、ＡＣ誘導電動 機に接続されるベクトル・コントローラ手段（９０、１７８、１８４）とを含み 、該ベクトル・コントローラ手段が、 （ｉ）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束生成成分とを計算 するＣＰＵと、 （ii）ＣＰＵの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生じて電流を調整 する電流コントローラ手段と、 （iii）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された電流を固定子巻 線に与えて整流効果を生じることにより、ＡＣ誘導電動機に対する制御されたト ルクと速度とを生成する電力増幅手段と、を含み、 （ｈ）ベクトル・コントローラ手段に接続されて電動機指令信号を生じるマシ ン制御手段（１０４）と、 を備える請求の範囲第１項記載の装置。 ６．各駆動手段のベクトル・コントローラ手段が、多重化手段（１９２）に接続 されて電流コントローラ手段により生じるパルス幅変調トリガー信号を外部の指 令入力信号に基く各ＡＣ誘導電動機に対する電力増幅手段（１９４、１９６、１ ９８、２００）へ切換える共通のＣＰＵ（１９０）を共有する請求の範囲第５項 記載の装置。 ７．回転子にトルクを生成する整流効果が周期的なトルク脈動を生じることによ り、該トルク脈動に応答してプロセス変数に変動を生じ、マシン制御手段（１０ ４）が更に、トルク脈動により生じるプロセス変数における変動に応答して電動 機指令信号を修正することによりプロセス変数を制御する手段を含む請求の範囲 第１項記載の装置。 ８．回転子にトルクを生じる整流効果が周期的なトルク脈動を生じることにより 、該トルク脈動に応答してプロセス変数に変動を生じ、マシン制御手段（１０４ ）が更に、 （ａ）トルク脈動に応答して変化するプロセス変数を表わすプロセス・フィー ドバック信号を生成する手段と、 （ｂ）プロセス変数の予め定めた値を表わす設定点信号を生成する手段と、 （ｃ）前記設定点信号とプロセス・フィードバック信号とに応答して予め定め た値からのプロセス変数における変化に応答して電動機指令信号を修正し、トル ク脈動により生じるプロセス変数における変動を低減する手段と、を含む請求の 範囲第１項記載の装置。 ９．溶解材料を、成形部品を画定する鋳型空隙部（１２２）を形成する鋳型要素 （１１８、１２０）内へ射出することにより成形部品を作るための射出成形機に おいて、 （ａ）開口位置と閉鎖位置との間に鋳型要素を支持して移動させるクランプ手 段（１００）と、 （ｂ）溶解材料を鋳型空隙部内へ射出する、鋳型空隙部と連通する端部を有す る管状バレル（１４０）内に回転自在かつ変位自在に支持されたスクリュー部材 （１４２）を含む射出手段（１０２）と、 （ｃ）クランプ手段に機械的に接続されて鋳型要素に対して相対的運動を与え る第１の駆動手段（１２４、１２６、１２８）と、 （ｄ）射出手段に機械的に接続されてスクリュー部材を回転させる第２の駆動 手段（１４８）と、 （ｅ）射出手段に機械的に接続されて管状バレル内部のスクリュー部材を変位 させる第３の駆動手段（１５６、１５８、１６２）と を備え、 （ｆ）第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の駆動手段の１つ以上が更に、 （１）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子と、回転子の角度位置 を検出する手段とを有する電動機（１２４、１４８、１５６）と、 （２）電動機指令信号に応答して電動機を制御する、電動機に接続された電 子コントローラ手段（８７、８８、８９）と を含み、該電子コントローラ手段が （ｉ）電動機に加えられる電流の特性を決定するＣＰＵと、 （ii）トリガー信号を生じて電流を調整する電流コントローラ手段と、 （iii）トリガー信号を受取り、制御された電流を固定子巻線に与えて整 流効果を生じることにより、電動機に対する制御されたトルクと速度を生成する 電力増幅手段と、を含み、 （３）前記電子コントローラが、多重化手段（１９２）に接続されて、電流 コントローラ手段により生じるトリガー信号を外部の指令入力信号に基く電子的 に制御された各電動機に対する電力増幅手段へ切換えるＣＰＵ（１９０）を有し 、 （ｇ）前記電子コントローラ手段に接続されて前記電動機指令信号を生じるマ シン制御手段（１０４）を 備える射出成形機。